太阳能热水系统课程设计计算书

太阳能热水系统课程设计计算
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《太阳能应用技术》
课程设计计算书
题目：杭州市现代宾馆（公寓）太阳能热水系统设计
姓名：杨超
学院：建筑工程学院
专业：建筑环境与能源应用工程
班级：建环142
学号：
指导教师：候景鑫
2017年12月25日
目录
1.设计参数 ................................................... 错误!未指定书签。

1.1 气象参数............................................. 错误!未指定书签。

1.2 热水设计参数................................................................................................ 错误!未指定书签。

2.太阳集热系统设计...................................................................................................... 错误!未指定书签。

2.1集热器面积确定 ............................................................................................ 错误!未指定书签。

2.2太阳集热器的定位........................................................................................ 错误!未指定书签。

2.3太阳集热器模块总数确定.......................................................................... 错误!未指定书签。

2.4太阳集热器间距 ............................................................................................ 错误!未指定书签。

3.贮热水箱选型............................................................................................................... 错误!未指定书签。

4.集热循环管路水力计算 ............................................................................................ 错误!未指定书签。

4.1集热循环管路流量........................................................................................ 错误!未指定书签。

4.2集热循环管网热水流速及管径的确定................................................... 错误!未指定书签。

4.3集热循环最不利环路管道阻力的确定................................................... 错误!未指定书签。

4.4集热系统循环水泵选型 .............................................................................. 错误!未指定书签。

5.热水供应系统管路水力计算 ................................................................................... 错误!未指定书签。

5.1热水供应系统管路流量的确定................................................................. 错误!未指定书签。

5.2热水供应系统最不利环路管道阻力的确定.......................................... 错误!未指定书签。

5.3热水供应系统循环水泵的选型................................................................. 错误!未指定书签。

6.辅助热源 ........................................................................................................................ 错误!未指定书签。

7.自动控制系统 ............................................................................................................... 错误!未指定书签。

7.1运行控制 .......................................................................................................... 错误!未指定书签。

7.2防冻控制 .......................................................................................................... 错误!未指定书签。

7.3过热防护 .......................................................................................................... 错误!未指定书签。

8.阻垢除垢 ........................................................................................................................ 错误!未指定书签。

9.参考文献 ........................................................................................................................ 错误!未指定书签。

1.设计参数
1.1 气象参数
本工程为杭州市现代宾馆的太阳能系统设计。

杭州地区纬度为北纬30°14’，根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表1-10，查得该地区的水平面年总辐照量为4068.653 MJ/（㎡?a ），水平面年平均日辐照量为11.117 MJ/（㎡?d ），当地纬度倾角平面年总辐照量为4252.141 MJ/（㎡?a ），当地纬度倾角平面年平均日 辐照量11.621 MJ/（㎡?d ）。

1.2 热水设计参数
根据《民用建筑节水设计标准》表3.1.7，酒店的热水平均日用水定额取110—140 L/（床?d ），本设计取120 L/（床?d ），热水温度按60 ℃计。

根据
《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表1—16，杭州地区冷水计算温度取5 ℃（地面水）。

2.太阳集热系统设计
2.1集热器面积确定
根据我国现行标准，太阳能集热系统的热性能指标以贮热水箱容积600 L 为界限。

本工程贮热水箱容积大于600 L ，故其集热器面积的确定为： 式中：C A ——系统集热器总面积，m 2；
w Q ——日平均用热水量，考虑太阳能热水系统全年提供宾馆客房用热水，
客房总数
为72床，则日平均用热水量为8640 L/d ；
c ——水的定压比热容，4.187 kJ/（kg·℃）；
r ρ——水的密度，1 kg/L ；
()(1)
w r end L C T cd L Q c t t f
A J ρηη-=
-
end t ——贮热水箱内水的终止设计温度，取60 ℃； L t ——水的初始温度，取5 ℃；
J T ——当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，取11621kJ/m 2； f ——太阳能保证率，4—6，取0.45；
cd η——集热器年平均集热效率，
太阳能热水工程中集热器效率一般在0.25 —0.5 间，本工程全年使用，取平均
值0.375。

L η——管路及贮热水箱热损失率，取0.20。

将数据代入，计算得系统集热器总面积C A =256.82 m 2。

2.2太阳集热器的定位
全年使用时，集热器的安装倾角宜与当地纬度相同，即与建筑同方位，朝向正南，倾角为30°14’。

2.3太阳集热器模块总数确定
由《太阳能集中热水系统选用与安装》，选用PGT —2.0平板型太阳能集热器作为一个单元集热器。

单元平板集热器的尺寸为：2000 mm×1000 mm ，单元集热器的集热面积为：1.83 m 2。

根据集热器的总面积及单元集热器的集热面积，计算需要集热器的数量为141块，则总集热面积约为258.03m 2。

2.4太阳集热器间距
γ为0°。

因此，全年运行的太阳能集热系统，集热器前、后排间不相互遮挡的最小间距的计算时刻选择春分日上午9点。

式中： h ——太阳高度角（°）；
φ——地理纬度（°），取30°14’； δ——赤纬角（°），春分日为0°；
ω——太阳时角（°），上午9点对应的时角为-45°；
sin cos sin /cosh
αδω
=
α——太阳方位角（°）。

计算得，，则，太阳高度角为37.73°，太阳方位角为63.38°。

所以，.38°
（2）
以上为集热器倾角为30°14’的集热器侧视图，可知集热器高度为504mm，宽度为864mm
式中：S——日照间距，m；
H——前排遮挡物高度，女儿墙高度取1.3 m，集热器高度为0.504 m；
h——计算时刻的太阳高度角；
γ——计算时刻太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平
面上的投影线之间的夹角。

计算得，太阳能集热器距南墙的距离为0.75m，前后排太阳集热器的日照间距为0.31m。

3.贮热水箱选型
根据本建筑所需的日平均用热水量8640L/d，选择3 m×2 m×2 m的贮热水箱，其实际容积约为12吨。

4.集热循环管路水力计算
集热环路采用同程连接，各环路相同。

取其中任一环路为最不利环路，即管段1—2—3—4—5—6—7—8。

图4—1 集热循环最不利环路
4.1集热循环管路流量
根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.4.4，平板型太阳集热器的工作流量可按0.02 L/(s?㎡)计算，则本工程太阳能集热系统的总流量为：
4.2集热循环管网热水流速及管径的确定
由《太阳能集中热水系统选用与安装》8.8.2，太阳能集热系统管网热水流速，宜按下表选用：
表4—1 集热系统管网热水流速推荐值
公称直径DN （mm ） 15—20 25—40 ≥50
流速（m/s ）
≤0.8 ≤1.0 ≤1.2
根据下列公式，可计算出管段管径： 式中：q ——集热系统循环管道内流量，m 3/s ；
d ——集热循环管道直径，mm ； v ——集热循环管网中热水流速，m/s 。

太阳能集热循环管路中最不利环路的管径及流速计算结果如下：
表4—2 集热循环管路中最不利环路的管径
管段编号
流量（m 3/s ） 管径（mm ）
流速（m/s ）
1 0.00544 100 0.69
2 0.00432 80 0.88
3 0.00288 70 0.73
4 0.00144 40 1.12
5 0.00144 40 1.12
6 0.00288 70 0.73
7 0.00432 80 0.8
8 8
0.00513
100
0.65
4.3集热循环最不利环路管道阻力的确定 本设计集热循环管网采用镀锌钢管。

（1）管道的沿程水头损失：
管道单位长度水头损失可查《建筑给水排水工程（第六版）》附表2-1。

将各数据带入，具体计算结果见下表：
表4—3 集热循环最不利环路管道沿程损失
2
4
d q v
π=
（2）管道的局部水头损失。

考虑阀门、弯头及三通所造成的局部阻力，按沿程阻力的20%取值，则局部阻力为：
（3）集热器的阻力。

根据《太阳能集中热水系统选用与安装》8.8.2，集热器单位面积流量为q=0.02 L/(s?㎡)时，单个集热器的阻力一般为0.5 kPa/m 2。

本次设计中最不利环路中共有35个单元集热器，故集热器总阻力为：
=35×2×0.5=35kPa
（4）管网总阻力。

最不利环路的总阻力即为沿程损失、局部损失和集热器的阻力之和，即：。

4.4集热系统循环水泵选型
本工程太阳能集热系统的总流量为5.13L/s ，即18.47m3/h,此流量即为集热系统水泵的流量。

扬程考虑到沿程损失、局部损失、集热器阻力，即管网的总阻力，相当于4.5mH 2O ，考虑流量储备系数1.1，则集热系统循环水泵的扬程H 为4.95mH 2O 。

管段编号
管径（mm ） 流量（m 3
/s ） 管道单位长度水头损失（kPa/m ） 管道长度（m ） 沿程水头损失（kPa ） 1 100 0.00544 0.0892 6.319 0.564 2 80 0.00432 0.223. 1.17 0.261 3 70 0.00288 0.254 1.17 0.297 4 40 0.00144 0.935 1.17 1.094 5 40 0.00144 0.935 1.17 1.094 6 70 0.00288 0.254 1.17 0.297 7 80 0.00432 0.223 1.17 0.261 8 100
0.00513
0.0749
60.11
4.502
8.370
根据流量和扬程，选择2台IRG-15-80型热水循环泵，其中一台为备用，具体性能参数见下表：
表4—4 IRG-15-80型热水循环泵性能参数
型号 扬程m 流量m3/h
功率kW IRG-65-100A
7
2.0
0.18
5.热水供应系统管路水力计算
图5—1 热水循环系统最不利环路
5.1热水供应系统管路流量的确定
该酒店建筑中，一个客房中热水供给的卫生器有洗脸盆、浴盆或淋浴器。

由《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.6.1，洗脸盆的给水当量为0.5，额定流量为0.10 L/s ；浴盆的给水当量为1.0，额定流量为0.20 L/s 。

热水给水设计秒流量为（酒店α取2.5）：
若所求值大于计算管段卫生器具额定流量累加值，按累加值计。

计算结果如下：
表5—1 热水供水管路流量
管段编号 浴盆数量
洗脸盆数量 给水当量 q g （L/s ）
1 73 73 109.5 5.23
2 51 51 76.5 4.37
3 45 45 67.5 4.11
4 42 42 63 3.97
5 30 30 45 3.35
6 18 18 2
7 2.60 7 12 12 1
8 2.12 8 6
6
9 1.50 9 4 4 6 1.22 10
2 2
3
0.87
0.2g q =
5.2热水供应系统最不利环路管道阻力的确定
本设计热水循环管网采用镀锌钢管。

根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.6.2，为保证各立管的循环效果，尽量减少干管的水头损失，热水供水干管和回水干管均不宜变径，可按其相应的最大管径确定。

根据《建筑给排水设计规范》GB50015—2010=0.07L/S，洗脸盆的小时用热水量为180 L=0.05L/S。

并由此确定回水管的流量。

管网热水流速的确定，可参照《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表4—19：
表5—2 热水管道内的流速
公称直径DN
（mm）
15—20 25—40 ≥50流速（m/s）≤0.8≤1.0≤1.2
（1）管道的沿程水头损失：
管道单位长度水头损失可查《建筑给水排水工程（第六版）》附表2-1。

将各数据带入，具体计算结果见下表：
表5—3 热水循环最不利环路管道沿程水头损失
管段编号
管径
（mm）
流量
（L/s）
管道单位长度水头
损失（kPa/m）
管道长度
（m）
沿程水头损失
（kPa）
1 100 5.23 0.079 19.6 1.554
2 80 4.37 0.237 0.61 0.145
3 80 4.11 0.213 0.18 0.038
4 70 3.97 0.460 8.212 3.778
5 70 3.35 0.321 8.4 2.696
6 70 2.60 0.210 8.4 1.764
7 50 2.12 0.525 8.4 4.410
8 50 1.50 0.237 5.115 1.212
9 50 1.22 0.182 3.3 0.601
10 40 0.87 0.252 3.3 0.832
11 32 0.72 0.501 11.05 5.536
12 50 1.44 0.255 8.4 2.142
13 50 2.16 0.503 8.4 4.225
14 70 3.60 0.377 8.4 3.167
15 80 5.04 0.311 7.5 2.333
16 80 5.40 0.362 0.9 0.326 17 80 6.12 0.433 0.61 0.264
18 100
8.76
0.203
5.8 1.177
36.199
（2）管道的局部水头损失。

考虑阀门、弯头及三通所造成的局部阻力，按沿程阻力的20%取值，则局部阻力为：
（3）环路最不利出水点所需的最低压力。

因水箱位于楼顶，水箱与最不利出水点的静水压大于最不利出水点的最低工作压力。

故环路中可不计最不利出水点所需的最低压力。

（4）管网总阻力。

最不利环路的总阻力即为沿程损失、局部损失和集热器的阻力之和，即：
5.3热水供应系统循环水泵的选型
（1）设计小时耗热量计算：
式中：Q h ——设计小时耗热量，kJ/h ；
m ——用水计算单位数，本次设计客房总床数为72床； q r ——热水用水定额，日均用热水量为120 L/（b?d ）； c ——水的比热容，4187 J/（kg·℃）；
ρ——水的密度，1 kg/L ；
r t ——热水温度，为60 ℃； L t ——冷水温度，为5 ℃；
K h ——小时变化系数，由《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表4—4，取6.84。

代入计算，得设计小时耗热量为157514 W 。

（2）水泵的流量为循环流量，根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.6.1，全天供应热水系统的循环流量可按下式计算：
()
86400
r r L h h
mq c t t Q K ρ-=
式中：x q ——循环流量，L/h ；
s Q ——配水管道系统的热损失，W ，按设计小时耗热量的3%—5%采用，本次计算
取5%，则热损失为7876 W ；
△t ——配水管道的热水温度差，根据系统大小确定，一般取5—10 ℃，取10 ℃；
ρ——水的密度，1 kg/L ；
代入计算，得热水循环流量为677 L/h 。

故水泵流量为677 L/h ，即0.677 m3/h=11.3L/min 。

（3）热水循环水泵扬程即为克服管道所产生的阻力43.44 kPa ，相当于
4.344 mH 2O ，考虑流量储备系数1.1，则H 为4.778 mH 2O 。

根据流量和扬程，选择2台ISG-15-80型热水循环泵，其中一台为备用，具体性能参数见下表：
表5—4 IRG-15-80型热水循环泵性能参数 型号 扬程
m 流量m3/h 功率kW IRG-15-80 7 2 0.18
6.辅助热源
1.163s
x Q q t ρ
=∆
本设计采用空气源热泵机组作为辅助热源，按照阴雨天太阳能供热量为0，计算辅助热源的设计小时供热量，其值可按下式计算：
式中：g Q ——空气源热泵的设计小时供热量，kJ/h ；
m ——用水计算单位数，本次设计客房总床数为72床；
r q ——热水用水定额，日均用热水量为120 L/（b?d ）；
c ——水的比热容，4.187 kJ/（kg·℃）；
r ρ——热水密度，1 kg/L ；
r t ——热水温度，为60 ℃；
L t ——冷水温度，为4 ℃；
1T ——热泵机组设计工作时间，本次设计取20 h ； 代入计算，得到辅助热源的供热量为111421 kJ/h ，即为30.95kW ，由此选用1台格力KFRS-36s 型号的空气源热泵机组，具体性能参数见下表：
表6—1 KFRS-36s 型号的空气源热泵机组性能参数表
型号
制热量kW 水流量m3/h 额定功率kW KFRS-36s 36 6.0 8.7
7.自动控制系统
根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.8，控制系统在设计时需要考虑到系统所以可能的运行模式，并遵循简单可靠的原则，选择可靠的控制器和温度传感器。

7.1运行控制
太阳能热水系统的控制方式主要有定温控制、温差控制、光电控制、定时器控制四种。

定温控制和温差控制以温度或温差作为驱动信号来控制系统阀门的启闭和泵的启停，是最为常见的控制方式。

强制循环一般采用温差控制，因此，本次设计对太阳能集热系统采用温差控制方式。

在水箱与集热器回水管上分别设置温度探头T1、T2，当T2—
T1≥10℃时，启动集热循环泵循环，T2—T1≤5℃时，停止集热循环泵的运行。

对与用户相连的热水循环系统采用温差控制方式，在水箱与热水回水管底
1
()1.10r r l r
g mq c t t Q T ρ-=
部分别设置温度探头T3，当T3—T1≥10℃时，启动热水循环泵循环，T3—
T1≤5℃时，停止热水循环泵的运行。

对上水系统采用水位控制方式。

当储水箱中水位达到低水位时，由液位计控制的电磁阀打开，冷水自动向储水箱中补水，水满后（即水位达到高水位时）电磁阀关闭。

对水箱内辅助热源采用定温控制方式，当水箱内水温T1≤40℃时，启动辅助电加热装置，加热水箱内水，当水箱内水温T1≥60℃时，停止辅助电加热装置。

7.2防冻控制
本工程位于杭州市，属于夏热冬冷地区，冬季温度不低于0 ℃，因此不需要考虑防冻问题。

7.3过热防护
过热防护一般由过热温度传感器和相关的控制器和执行器组成。

水箱过热温度传感器一般可以借用温差控制中的水箱温度传感器。

水箱过热温度传感器的温度设定一般在80 ℃以内以免发生烫伤危险，集热系统过热温度传感器的温度设定高于水箱过热温度传感器的温度设定。

8.阻垢除垢
在热水供水管上安装电子除垢仪，根据热水设计秒流量为5.23 L/s ，即5.23*3600/1000=18.83 T/h（吨每小时），选择CLDC-2D型号的电子除垢仪，具体性能参数见下表：
表8—1 CLDC-2D电子除垢仪性能参数
9.参考文献
[1] 郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：化学工业出版社，2005.
[2] 中华人民共和国国家标准.民用建筑节水设计标准（GB 50555-2010）[S]. 北京：
中国建筑工业出版社，2010.
[3] 太阳能集中热水系统选用与安装（06SS128）[S].
[4] 建筑给水排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[5] 中华人民共和国国家标准.建筑给水排水设计规范（GB50015-2010）.北京：中国计
划出版社，2010。